CN100440384C - 球形托卡马克磁体环向场线圈的中心柱 - Google Patents

球形托卡马克磁体环向场线圈的中心柱 Download PDF

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Abstract

一种球形托卡马克磁体环向场线圈的中心柱，由内、外两层异形导体组成。异形导体沿周向均匀分布排列，12根内层异形导体[1]截面形状为梯形，小底边朝向中心柱的中心环向排列，在中心形成自然的气流冷却孔。12根外层异形导体截面形状为圆弧大边的类梯形，圆弧底边朝向中心柱的外表面，环形排列在内层异形导体的外部，形成中心柱结构的外层。每根导体通过其上、下两端的接线端子[6]、[7]与回转臂[9]连接，形成环向场线圈的一匝，24根导体经接线端子[6]、[7]分别与外部24个回转臂[9]连接，组成完整的24匝环向场线圈。每根导体中流过同向的等额电流，对应于托卡马克聚变环向场线圈的总安匝数。本发明最大可通过12000安培的脉冲电流而没有明显的内部温升。

Description

球形托卡马克磁体环向场线圈的中心柱
技术领域
本发明涉及球形托卡马克环向场磁体的结构，特别涉及托卡马克环向场磁体线圈各匝电流的中心柱。
背景技术
球形托卡马克装置与传统聚变托卡马克装置的最大区别是具有更小的环径比。小环径比将意味着环向场的利用效率更高，因而对环向场的磁场要求可以更低。如，球形托卡马克装置的环向场比传统托卡马克装置低一个数量级左右。球形托卡马克装置的规模要比传统托卡马克装置小得多，工程造价也低得多。
为了获得球形托卡马克的低环径比，要求环向场磁体的结构非常紧凑，特别是对环向场线圈的匝电流汇集装置要求更加严格：如，尺寸紧凑，结构可靠，绝缘安全等。目前，世界上已经建成和正在建造的球形托卡马克装置主要有：START、MAST、NSTX、PEGASUS、GLOBUS-M、ETE等，分布在英国、美国、俄罗斯、巴西、日本等国家。在这些工程中，环向场磁体的结构各异，匝电流汇集装置的规模也各不相同。但它们大都采用了强迫水冷结构。比较典型的是在MAST球形托卡马克装置中，其环向场线圈为24匝，各匝的电流通过中心柱汇集。中心柱由24根楔形截面的铜银合金导体环形排列而成，为单层结构。每根导体用玻璃丝带绑扎绝缘，整体采用真空环氧浸渍工艺制作。为了保持中心柱的发热温升不超过40℃，采用了强迫水冷结构，每根楔形截面的导体沿纵向设有冷却通孔，以便水流通过。由于冷却孔的存在，导致有效导电面积的减小，降低了中心柱整体的导体填充率，从而增大通电时的欧姆热。此外，单层排列的中心柱结构将增加与回转臂连接的复杂性，如换位接头工艺等。
发明内容
为克服现有技术中心柱因采用强迫水冷结构而导致导体填充率低、工艺复杂、需要增加额外的冷却系统等缺点，本发明提出一种采用新结构的球形托卡马克环向场磁体线圈的匝电流汇集中心柱。本发明的中心柱采用了双层导体布置结构，每根导体均为实心无氧铜，有效增大了导电面积，减少了通电时的欧姆发热量，使得每个通电周期内中心柱的发热温升均能控制在1℃范围内。较低的通电发热温升可以减小中心柱导体间以及导体与绝缘间的热应力，提高运行的安全性。累积热量可通过大截面的铜导体以传导方式传到线圈的外部，从而保证中心柱长期运行时导体间绝缘的良好性能。此外，圆弧形的外层导体边缘大大方便了中心柱的整体成型工艺。导体间的绝缘采用了刚性环氧层压板，增大了电气绝缘的可靠性。
本发明采用以下技术方案：
本发明中心柱的外形呈圆柱形结构，上、下两端焊接有沿周向分布的、与中心柱轴线垂直的接线端子。中心柱内有24根异形导体，每根导体中都流过同向的等额电流，对应于托卡马克聚变环向场线圈的总安匝数。本发明中心柱位于托卡马克装置真空室的中心温孔中，是环向场线圈的中心部分，同时还作为中心螺管线圈支撑芯柱，中心螺管绕制在它的外面。中心柱各导体间采用环氧玻璃布板绝缘，整体采用环氧树脂浸渍、室温固化成型。
本发明的中心柱由内、外两层异形导体排列组成。异形导体是用无氧铜材料通过挤压成形工艺成型的导电良导体，共有两种截面尺寸，分别对应于中心柱的内层和外层。确定截面大小的原则是：必须保证导体内通以峰值为12000安培的正弦波电流时，每个周期的欧姆热引发的导体温升不超过1℃。其中，内层的异形导体截面形状为梯形，共12根，小底边朝向中心柱的中心环向排列，导体间由1毫米厚的环氧玻璃布层压板隔离绝缘，在中心形成自然的气流冷却孔。外层的异形导体截面形状为圆弧底边的类梯形，共12根，圆弧底边朝向中心柱的外表面，排列布置在内层异形导体的外部，形成中心柱结构的外层。内、外层间采用1毫米厚的环氧玻璃布层压板隔离绝缘。外层导体圆弧边的环形排列，形成自然的圆柱面结构。中心柱内各导体间、导体与环氧玻璃布层压板间以及环氧玻璃布层压板间的空隙由环氧树脂填充。中心柱外层导体外面由玻璃丝带和环氧树脂混合绑扎缠绕，形成外绝缘层，整体经室温固化而成，作为绕制中心螺管的对地绝缘。
中心柱每根异形导体的两端均有与环向场线圈各匝回转臂相连接的接线端子。接线端子与异形导体间是用银焊焊接，以保证足够的连接强度和低的接头电阻。
中心柱的每根导体通过其上、下两端的接线端子与回转臂连接，形成环向场线圈的一匝。中心柱的24根导体分别与外部24个回转臂连接，组成完整的24匝环向场线圈。各匝之间电气串联，当环向场线圈通以脉动电流时，则在线圈内产生环向磁场。此时中心柱内的总电流等于电源电流的24倍。
附图说明
图1为中心柱结构示意图；图中：1中心柱的内导体，2环氧玻璃层压板，3中心冷却孔，4中心柱外导体，5中心柱的绑扎层，8中心螺管，6、7接线端子；
图2为中心柱的横截面示意图；
图3为本发明具体实施例内导体截面示意图；
图4为本发明具体实施例外导体截面示意图；
图5为本发明具体实施例中心柱内导体及其接线端子示意图；
图6为本发明具体实施例中心柱外导体及其接线端子示意图；
图7为中心柱通过其接线端子与回转臂连接后组成环向场线圈的两匝示意图，图中：9回转臂。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明的结构图，图中本发明的中心柱由内、外两层异形导体组成，内、外两层的异形导体各12根，沿周向均匀分布排列。每根异形导体的上、下两端焊接有沿周向分布的、与中心柱轴线垂直的接线端子6、7。中心柱的内导体1由无氧铜材料通过挤压成形工艺制成；环氧玻璃层压板2，厚度为1毫米；中心冷却孔3，由内导体1沿周向排列时自动形成；中心柱外导体4，与内导体1一样，采用挤压成型的无氧铜材料制造，位于内导体层的外部，与内导体1间由环氧玻璃层压板2绝缘。中心柱内各导体间、导体与环氧玻璃布层压板2间以及环氧玻璃布层压板2之间的空隙填充环氧树脂。中心柱的绑扎层5，同时作为中心螺管8的对地绝缘层；中心柱的每根内导体1和外导体4的上、下两端均焊接有接线端子6、7，以便与环向场线圈的回转臂9相连结。接线端子6、7与中心柱的内、外导体间采用银焊接工艺焊接，以保证足够的机械强度和低的电阻率。中心柱的内、外层导体1、4、环氧层压板2由特制的工装、夹具组合成形，然后整体绑扎环氧玻璃丝带，室温固化成型。本发明中心柱同时还作为中心螺管线圈支撑芯柱，中心螺管绕制在它的外边。
图2为中心柱横截面示意图。内层导体1和外层导体4均为12根，沿周向均匀分布。导体间以及内外层间由环氧玻璃层压板2隔开绝缘，外层导体4外面有环氧玻璃丝带绑扎层5，该绑扎5同时作为中心螺管8的对地绝缘层。
图3为内导体1的截面示意图。截面形状为梯形，其中，小底边朝向中心柱的中心。
图4为外导体4的截面示意图。截面形状为圆弧底边的类梯形。其中，圆弧底边朝向中心柱的外表面。
图5为内导体及其与两端接线端子焊接完成后的侧视图。
图6为内导体及其与两端接线端子焊接完成后的侧视图。
图7为中心柱与回转臂连接后形成的环向场线圈的两匝结构图。其中，回转臂9的内匝和外匝分别与中心柱内、外导体接线端子6、7搭接连接，并用螺栓紧固。
本发明的工作原理和工作过程：
本发明的中心柱不仅作为球形托卡马克环向场磁体线圈的集中回流结构，而且还作为制作极向场中心螺管的支撑芯柱，它是球形托卡马克环向场磁体线圈的关键部件。采用图3和图4的异形导体截面形状时，中心柱内、外层导体的截面积之比为1∶1；层间和匝间的绝缘层厚度为1毫米；中心孔内径6毫米；中心柱外层导体圆弧面组成的圆周直径为86毫米，外绝缘层厚度为2毫米。在此情况下，中心柱的导体填充率为79％，纵场磁体通电一个脉冲时间内，在绝热情况下所引起的温升大约为0.5℃。
本发明的中心柱结构具有如下三个特点：
(1)双层导体排列，与回转臂间的连接可采用简单可靠的接头工艺，实现大面积的搭接方式连接。
(2)导体的填充率高，中心柱整体的导体填充率可达79％。由此带来的优点主要有两个方面，一是结构紧凑，空间利用率高，可实现球马克的小环径比；二是通电时欧姆发热小，温升低，安全性好。
(3)免除了强迫水冷系统，结构简单，实用性强。本发明中心柱结构采用了传导散热辅以中心孔内的自然对流换热，使得通电时的欧姆发热得以通过大截面的良导体及其接头传至外部的回转臂中，同时，中心孔内的空气自然对流也将把内导体的部分欧姆热传至空气中，使得中心柱的通电温升保持在安全范围内。

Claims (3)

1、一种球形托卡马克磁体环向场线圈的中心柱，其特征在于中心柱由内、外两层异形导体组成，异形导体沿周向均匀分布排列；每根异形导体均为实心无氧铜，其上端焊接有沿周向分布的、与中心柱轴线垂直的上接线端子(6)，下两端焊接有沿周向分布的、与中心柱轴线垂直的下接线端子(7)；内层的异形导体(1)截面形状为梯形，共12根，小底边朝向中心柱的中心环向排列，在中心形成自然的气流冷却孔；外层的异形导体(4)截面形状为圆弧底边的类梯形，共12根，圆弧底边朝向中心柱的外表面，排列在内层异形导体层的外部，形成中心柱结构的外层，外层导体圆弧边的环形排列，形成自然的圆柱面结构；每根导体通过其上接线端子(6)、下接线端子(7)与回转臂(9)连接，形成环向场线圈的一匝；24根导体经上接线端子(6)、下接线端子(7)分别与外部24个回转臂(9)连接，组成完整的24匝环向场线圈；每根导体中均流过同向的等额电流，对应于托卡马克聚变环向场线圈的总安匝数；内层的异形导体(1)与外层的异形导体(4)间由环氧玻璃布层压板(2)隔离绝缘；各导体间由环氧玻璃布层压板(2)隔离绝缘；各导体间、导体与环氧玻璃布层压板(2)间以及环氧玻璃布层压板(2)之间的空隙由环氧树脂填充；外层导体(4)外为环氧玻璃丝带绑扎层(5)，绑扎层(5)用玻璃布带与环氧树脂混合绑扎，绑扎层(5)同时作为中心螺管(8)的对地绝缘层；中心柱整体由环氧树脂浸渍填充，室温固化成型。
2、按照权利要求1所述的用于球形托卡马克磁体环向场线圈的中心柱，其特征在于所述的中心柱上、下两端伸出的上接线端子(6)、下接线端子(7)与柱内的内层的异形导体(1)、外层的异形导体(4)用银焊料焊接，上接线端子(6)、下接线端子(7)与中心柱垂直；回转臂(9)的内匝和外匝分别与中心柱内、外导体的上接线端子(6)、下接线端子(7)搭接连接，并用螺栓紧固。
3、按照权利要求1所述的用于球形托卡马克磁体环向场线圈的中心柱，其特征在于中心柱的各匝异形导体采用无氧铜材料挤压制成，表面经过钝化处理。
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